Ультразвукове дегазування та дефамування рідин

Дегазування та дефамування рідин за допомогою ультразвуку є дуже ефективним процесом. Ультразвукова обробка видаляє дрібні підвішені газові бульбашки з рідини та знижує рівень розчиненого газу нижче природного рівня рівноваги.

Дегазування та дефамування рідин необхідні для багатьох цілей, таких як наступні процеси:

• підготовка зразків перед вимірюванням розміру частинок для уникнення помилок вимірювання
• дегазування олії та мастильних матеріалів перед закачуванням для зменшення зносу насоса через кавітацію
• дегазування рідких харчових продуктів, наприклад, соку, соусу або вина, для зменшення мікробного росту та збільшення терміну придатності
• дегазування полімерів та лаків перед нанесенням, затвердінням або вакуумною інфузією

Під час ультразвукової обробки рідин звукові хвилі, що поширюються від випромінюючої поверхні в рідке середовище, створюють чергування циклів високого та низького тиску з частотою, що залежить від частоти. Під час циклу низького тиску ультразвукові хвилі можуть створювати в рідині дрібні вакуумні бульбашки або порожнини. Велика кількість дрібних бульбашок створює велику загальну поверхню бульбашок. Бульбашки також добре розподілені в рідині. Розчинений газ мігрує в ці вакуумні бульбашки через велику поверхню та збільшує розмір бульбашок.
Акустичні хвилі сприяють зіткненню та злиттю сусідніх бульбашок, що призводить до прискореного росту бульбашок. Хвилі ультразвукової обробки також допомагають відірвати бульбашки від поверхонь посудин і змусять менші бульбашки, що знаходяться під поверхнею рідини, піднятися та вивільнити захоплений газ у навколишнє середовище.

 

Перевірте це на практиці

Процес дегазування та дефамування рідин можна легко зробити видимим. У скляній хемінгері зі свіжоналитою водопровідною водою ультразвукова обробка змусить дрібні підвішені бульбашки зливатися та швидко підніматися вгору. Ви можете побачити цей ефект на зображенні прогресу нижче.

Ультразвукове дегазування води (5 секунд)

Збовтана олія містить велику кількість підвішених бульбашок або піни. Особливо в охолоджувальних рідинах це є проблемою. Там газові бульбашки сприяють зносу, викликаному кавітацією, у насосах або форсунках. Зображення прогресу нижче показує ефект ультразвукового дефамування.

Ультразвукове дегазування: захоплені газові бульбашки видаляються з олії за допомогою ультразвукового апарату UP400St

Ультразвукова обробка створює дрібні вакуумні бульбашки в прозорій, відстояній воді. Ці бульбашки заповнюються розчиненим газом, який мігрує в бульбашки. Внаслідок цього бульбашки зростають і піднімаються вгору. Ефект дегазування добре помітний у будь-якій напівпрозорій рідині.
Оскільки ультразвук покращує підняття дрібних підвішених бульбашок до поверхні рідини, він також зменшує час контакту між бульбашкою та рідиною. З цієї причини він також обмежує повторне розчинення газу з бульбашки в рідину. Це особливо важливо для рідин з вищою в’язкістю, таких як олії або смоли. Оскільки бульбашки повинні рухатися до поверхні рідини, ультразвукове дегазування працює краще, якщо контейнер є мілким, щоб час досягнення поверхні був коротшим.

Поза межами видимих ефектів

Вимірювання ефектів дегазування візуальним оглядом обмежене в точності. Вимірювання вмісту газу є більш точним способом оцінити ефективність ультразвукового дегазування.

Рідини містять певну кількість розчиненого газу. Концентрація газу залежить від таких факторів, як температура, тиск навколишнього середовища або перемішування рідини. За постійних умов концентрація газу наближається до рівноваги. Ультразвукове дегазування змінює умови, оскільки рідина піддається впливу бульбашок низького тиску та перемішуванню. Тому ультразвукова обробка знижує концентрацію газу в рідині нижче рівня рівноваги.
Коли ультразвукова обробка припиняється і початкові умови відновлюються, концентрація газу повільно знову наближається до початкового рівня рівноваги, якщо тільки рідина не піддається впливу будь-якого газу, наприклад, у закритій пляшці. Оскільки повторне розчинення газу в рідині відбувається досить повільно, після ультразвукової обробки можна працювати з рідиною з низьким вмістом газу. Графік нижче ілюструє цей ефект.

Ілюстрація ультразвукового дегазування води

Дегазування перед емульгуванням та диспергуванням

Ультразвукове дегазування може покращити якість дисперсій та емульсій.

Проблема

Часто емульсії та дисперсії містять поверхнево-активні речовини для підвищення їхньої стабільності. Поверхнево-активні речовини перешкоджають контакту та злиттю або агломерації дисперсного матеріалу в рідкій фазі. Для цього поверхнево-активні речовини утворюють шар навколо кожної частинки. Ті самі поверхнево-активні речовини також можуть інкапсулювати газові бульбашки, які підвішені в рідкій фазі. Такі стабілізовані бульбашки можуть виявитися дуже стійкими. Стабілізовані бульбашки споживають поверхнево-активну речовину, знижують якість емульсії або дисперсії та можуть генерувати нерегулярні показання при вимірюванні розміру частинок.

Рішення: ультразвукове дегазування

Щоб зменшити проблему стабілізованих газових бульбашок, рідини слід дегазувати за допомогою ультразвукової обробки. Перед додаванням дисперсної фази, такої як олія або порошок, обробляйте рідину ультразвуком, доки кількість утворених бульбашок не зменшиться. При змішуванні з іншими матеріалами уникайте утворення нових бульбашок або вихору під час перемішування. Це швидко збільшило б вміст газу.
 

Водний буровий розчин до та після ультразвукового дегазування за допомогою ультразвукового апарату UIP1000hd
Дослідження та зображення Amani et al. 2016

Видалення вуглекислого газу

Ефект дегазування використовується при випробуванні на герметичність банок і пляшок, що містять газовані напої, такі як кола, сода або пиво. Будь ласка, натисніть тут, щоб отримати більше інформації про випробування пляшок на герметичність.

Ультразвукове дегазування коротко

Ультразвукове дегазування рідин працює краще при використанні наступної конфігурації.

• Застосовуйте низькі до помірних ультразвукові амплітуди!
• Використовуйте сонотроди з великою площею поверхні, наприклад, радіально випромінюючі сонотроди!
• Забезпечте низький тиск або вакуум над поверхнею рідини під час ультразвукової обробки!
• Нагрійте рідину, щоб зменшити її в’язкість!
• Використовуйте мілкий контейнер для відділення газу під час або після ультразвукової обробки!
• Уникайте турбулентного перемішування, щоб дозволити газовим бульбашкам підніматися вгору!

Ультразвукове дегазування можна використовувати в режимі партійної обробки або в потоці. У випадку роботи в потоці слід встановити стояк для відведення газу та застосувати газовий насос.

Література / Посилання

• Rognerud, Maren; Solemslie, Bjørn; Islam, Md Hujjatul; Pollet, Bruno (2020): How to Avoid Total Dissolved Gas Supersaturation in Water from Hydropower Plants by Employing Ultrasound. Journal of Physics: Conference Series 2020.
• Mahmood Amani, Salem Al-Juhani, Mohammed Al-Jubouri, Rommel Yrac, Abdullah Taha (2016): Application of Ultrasonic Waves for Degassing of Drilling Fluids and Crude Oils. Advances in Petroleum Exploration and Development Vol. 11, No. 2, 2016. 21-30.
• Haghayeghi R.; Kapranos P. (2014): The effect of processing parameters on ultrasonic degassing efficiency. Materials Letter Volume 116, 1 February 2014. 399-401.
• Servant G.; Caltagirone J.P.; Gérard A.; Laborde J.L.; Hita A. (2000): Numerical simulation of cavitation bubble dynamics induced by ultrasound waves in a high frequency reactor. Ultrasonics Sonochemistry Volume 7, Issue 4, October 2000. 217-227.